MATLAB微型四旋翼无人飞行器的设计与控制(3)
遥控飞行中的代表是美国Draganflyer公司生产的Draganflyer V TI，它是世界著名的遥控航模四旋翼飞行器，主要用于航拍。其机身总长72cm，高18cm，旋翼长28cm，重513g.它采用了碳纤文和高性能塑料作为机体材料，机载电子设备可以控制四个电机的转速。另外，它使用了压电晶体陀螺仪进行姿态增稳控制，使遥控飞行更加平稳、简单 [6]。
自主飞行中小型四旋翼无人飞行器的代表是EPFL自动化系统实验室开发的OS4[7]。它的研究目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行，此外, OS4还设计了避障控制器。OS4 I 实现了基于多种控制算法的姿态增稳控制[8,9]，OS4 II在室内环境中实现了基于惯性导航的自主悬停控制。
微型四旋翼无人飞行器的代表则是斯坦福大学的Mesicopter ，它是利用多旋翼式总体布局方式设计出来的[10]。Mesicopter 是目前世界上最著名的微型四旋翼无人飞行器之一。其机身为16mm×16mm 的方形框架，旋翼直径为1.5cm，其厚度为0.08mm，电机直径为3mm，总重为0.325g。它的最终目标是实现自主飞行和多四旋翼协同飞行。
虽然国外对微型四旋翼无人飞行器已经进行了深入的研究，有的机型甚至已经向实用方向发展，但国内对微型四旋翼无人飞行器的研究还处在起步阶段。在国内。代表性的有国防科学技术大学所设计的微小型四旋翼飞行器。它总长约为70cm，总重约为750g [11]。目前已经完成了控制系统硬件部分的开发和测试，并正在着手进一步的研究。本文基于现有的飞行器理论知识，对微型四旋翼无人飞行器进行了建模，并设计了两种不同的控制器，为实现其自主飞行打下了基础。
1.3 微型四旋翼无人飞行器的技术难点
除了能垂直起飞和降落以及便于携带的优点外，微型四旋翼无人飞行器的螺旋桨可以做的比单螺旋桨飞行器或者一些固定翼飞行器小很多，因此能在复杂狭小的环境中飞行，具有很强的机动性。但要发挥微型四旋翼无人飞行器的特殊优势, 目前还有许多技术上的难点。
目前的微型四旋翼无人飞行器主要是在室内环境中飞行，在进行飞行器设计时，需要综合考虑飞行器的体积、重量和能耗等因素，实现飞行器的总体最优化设计。同时，研发重量更轻、效率更高的动力系统对提升微型四旋翼无人飞行器的性能也有着很重要的作用。最重要的是，微型四旋翼无人飞行器是一个非线性、多变量、高度耦合的欠驱动系统（具有6个自由度，四个输入量），且由于其体积小，抗干扰能力较弱，因此在建立有效、准确的飞行器动力学模型进而实现飞行器的稳定控制方面目前在国内还没有特别理想的成果。
1.4 论文的主要工作和内容安排
目前国内对微型四旋翼无人飞行器的研究比较少，鉴于该飞行器的良好发展前景及其控制上的难点，本文对吹冰自由度的微型四旋翼无人飞行器的欠驱动系统控制问题进行研究，选择合适的控制算法，并进行进一步的仿真测试。
第一章：讲述课题研究的背景及意义，介绍微型四旋翼无人飞行器的发展及其研究的技术难点，说明本文研究的内容。
第二章：分析微型四旋翼无人飞行器的飞行原理，根据飞行器刚体运动的特点，通过限定条件把各个子系统的模型简化，利用牛顿—欧拉方程，建立微型四旋翼飞行器的非线性动力学方程。
第三章：首先对第二章构建的非线性动力学模型进行简化，并在简化模型的基础上设计出飞行器的PID控制器，运用MATLAB软件进行仿真，给出仿真实验的结果。
第四章：简单介绍反步法（Backstepping算法）的基本原理，然后推导设计微型四旋翼无人飞行器的控制器，并运用MATLAB进行仿真实验，得到仿真结果。最后将PID控制器和Backstepping控制器的仿真结果进行比较，分析各自的优劣。